基于EDA软件和FPGA的IP核保护技术

1 引言
    随着电路规模不断扩大，以及竞争带来的上市时间的压力，越来越多的电路设计者开始利用设计良好的、经反复验证的电路功能模块来加快设计进程。这些电路功能模块被称为IP(Intellectual Property)核。IP核由相应领域的专业人员设计，并经反复验证。IP核的拥有者可通过出售IP获取利润。利用IP核，设计者只需做很少设计就可实现所需系统。基于IP核的模块化设计可缩短设计周期，提高设计质量。现场可编程门阵列FPGA具有可编程特性，用户根据特定的应用定制电路结构，因此其处理速度大大超过通用处理器。与ASIC相比，FPGA的缺点是在提供灵活的可编程同时，则以芯片的面积、功耗和速度做为代价。
    近年来，单个FPGA实现电路规模不断扩大，设计者可以在单个FPGA上实现一个完整的系统(System on Pro—grammablb Chip，简称SoPC)。IP核的出现为SoPC的设计提供极大便利，利用IP核，设计者通过模块化设计。轻松快速地实现系统复杂的功能。
    当设计者从第三方购买IP，需要一定的保护机制防止设计者在非授权IP核使用，以保护IP核所有者的利益。同时，对于设计者完成的设计，也需要相应的保护机制防止设计被非法复制、窃取或篡改。为此，提出一种结合电子设计自动化(Electronic Design Automation，简称EDA)软件和FPGA的IP核保护机制。通过在EDA工具中加入保护机制防止设计者非授权使用IP核，在FPGA中加入保护机制防止设计被非法复制、窃取或篡改。

2 EDA软件中实现IP保护
    FPGA的设计开发流程主要包括行为综合、逻辑综合、技术映射和布局布线。一般情况，设计者使用硬件描述语言(如VHDL，Velilog)描述电路，然后由EDA软件对其处理。
    在EDA软件处理流程中，行为综合把算法级或寄存器传输级(Register Transfer Level，简称RTL)的电路描述转换为门级的网表，逻辑综合优化门级网表，技术映射是将优化后的网表映射为FPGA中的具体实现(查找表)，布局布线工具则按照一定的评价标准来确定最终的电路单元在FPGA中的位置，并利用连线资源实现电路单元间的连接。
    如果设计者利用第三方提供的IP核实现所需的设计，为了避免设计者窃取IP核后，对其修改，并将其据为已有，需要有相应的安全机制来保护第三方设计的IP核。
    在EDA软件的处理流程中，EDA软件必须能够正确解析设计，才能完成处理，因此设计本身对于EDA软件是公开的。这里假定EDA软件是可信的。具有IP核保护机制的EDA流程如图l所示。第三方设计的IP核要先向EDA软件的开发用户购买RTL级的IP核后，第三方将该IP核先用EDA开发商的公开密钥对该IP核加密，再用设计者提供的公开密钥加密。这样，设计者虽然得到了第三方的IP核，但是并不知道EDA软件开发商的私钥，因此设计者无法知道该IP核中RTL级的描述。

    设计者可将购买的IP核看作功能已知的黑盒子，在利用黑盒子和其他的电路模块完成电路描述之后，设计者将设计导入EDA工具。EDA工具分别利用设计者输入的密钥和EDA开发商的密钥对加密的IP核进行两次解密，从而得到整个设计完整的RTL表示。然后，EDA工具可以对设计进行行为综合、逻辑综合和技术映射，最后生成技术映射后的网表。假定用于综合和技术映射的工具是由某个EDA开发商提供，而FPGA布局布线工具是另外的EDA开发商，例如由FPGA的生产商提供。
    在将优化后的门级网表写入文件之前，该EDA工具先用自己的私钥对网表进行加密处理，再用布局布线工具提供商的公钥对网表进行加密处理。这样设计者还是无法查看到综合和技术映射后的网表，从而防止了设计者用逆向工程的方法来窃取IP核。
    布局布线工具先用自己的私钥对加密的网表进行一次解密，再用前端的EDA工具开发商的公钥进行第二次解密，从而得到解密后的网表。利用该网表，布局布线工具可以完成设计在芯片上的布局布线，最终生成用于FPGA配置的bit-stream文件。

3 FPGA中实现IP保护
    在EDA软件生成了用于配置FPGA的bit-stream后，将bit-stream加载到FPGA中，就可以完成对FPGA的编程，FPGA实现设计者期望的功能。FPGA分为非易失性(Don—volatile)和易失性(volatile)两种，前者包括基于反熔丝技术和Flash技术，后者主要是基于SRAM技术。对于基于SRAM的FPGA，因为其配置信息在掉电之后就会丢失，因此一般需要用PROM存储FPGA的配置信息，以使FPGA在重新加电后能够再次根据这些信息进行配置。FPGA的配置信息就是设计在FPGA上的最终实现，因此需要相应的技术手段来保护这些配置信息。
    因此FPGA的bit-stream是二进制信息，它是依赖于设计本身和具体的FPGA结构。一般来说，bit-stream的生成工具都是由FPGA的生产商提供。FPGA的生产商虽然会给出一些bit-stream生成工具的使用信息，但一般都不会公开FPGA的bit-stream编码格式。由于不知道FPGA的bit-stream文件格式，目前尚未发现对FPGA的编程bit-stream文件成功实现逆向工程，所以绝大多数的FPGA使用者都不考虑FPGA中的设计会被破解。
    虽然bit-stream文件难以被逆向工程方法破解，但如果这些bit-stream被复制，利用这些bit-stream，再使用同样的FPGA，竞争对手就可以生产同样产品。也这是说，设计还是有可能被盗窃。因此，需要相应的安全机制来防止bit-stream被复制。针对基于SRAM的FPGA，下面讨论两种防范机制。
3．1 一次加载
    保证FPGA的编程bit-stream文件安全的一种简单办法就是在安全环境下对FPGA编程后，不再向FPGA配置任何器件，而是对FPGA持续供电。因为所有的可编程逻辑设备都具有保密设置，可阻止从FPGA中读取编程bit-stream文件，而且编程bit-stream文件也不会暴露在器件之外，这种方法既能够使FPGA的设计不被偷窃，也不被篡改。这种保护机制的安全级别与基于反熔丝技术或者其他的非易失性的FPGA相似，但是这种方法的缺点是需要对系统持续供电。
3．2 bit-stream加密
    Bit-stream加密技术是对FPGA的编程bit-stream文件加密处理，加密过程是EDA软件的最后一个处理步骤，如图1所示。加密后的bit-stream存储在FPGA的配置器件中，在配置FPGA器件前，要先把加密的bit-stream写入FPGA中，然后进行解密，再用解密后的bit-stream对FPGA进行配置。这一方法既增加对bit-stream文件逆向工程的难度，又阻止编程文件被非法复制。加密采用对称密钥加密算法，密钥由设计者指定。设计者需要将密钥存储到FPGA，FPGA中的解密功能模块可以用这一密钥来对bit-stream解密。
    如果最终生成的bit-stream文件是加密的，FPGA就需有一个专用的片上解密器和专用的密码存储器。为了使FPGA既能支持加密的bit-stream，又能支持未加密的bit-stream，bit-stream文件包含有未加密的指令，这些指令可用于启动和解密配置数据。如果bit-stream是加密的，FPGA在真正编程配置前，需要先用存储的密钥对其解密。这样，在FPGA使用过程中，虽然攻击者很容易从配置器件和FPGA的连接线路上获取bit-stream，但是因为这些bit-stream是加密的，即使把这些bit-stream配置到同样的FPGA上，但由于不知道解密的密钥，FPGA也无法对其解密，从而无法配置FPGA。使用这种保护方法，攻击者不知道密钥就无法复制FPGA中的设计。
    攻击者可能转而试图从FPGA中盗取密钥。在FPGA中，密钥可存储在RAM中，通过芯片上的一个电池为其供电。如果切断电源，则存储信息即密钥丢失。为了窃取密钥，攻击者需要打开FPGA的封装，打磨掉多个金属层，然后用扫描电子显微镜(SEM)扫描表示密钥的数据位。在进行这些操作的同时，还必须保持对存储密钥的存储器供电。显然这种攻击是难以实现的。
    此外，还可以在FPGA内部设计一些逻辑来限制对配置和密钥的访问。例如：当载入一个加密的bit—stream文件时，只能进行单独的、整个芯片的配置；在加载了加密的配置流后，就不允许再读取其中信息；试图读取或写入密钥就会清除所有的密钥和所有的配置数据；解密后的bit-stream在用于配置操作前，必须要通过数据的完整性检验。通过这些限制，使得攻击者无法读取解密后的bit-stream，也无法获得FPGA存储的密钥，从而阻止攻击者复制FPGA中的设计。

4 结语
    随着电路设计规模的不断扩大，越来越多的设计者开始应用IP核来提高设计速度和系统可靠性。提出在EDA工具中加入保护机制，防止IP核被窃取，以及在FPGA中加入保护机制防止最终在FPGA上实现的设计被非法复制。这种机制的实现前提条件是要求FPGA的生产商和EDA工具的开发商都是可信的。如何在两者不可信的情况下实现IP核保护，还需进一步研究。